氦氣低（dī）溫應用的4種方式（shì）丨Invictus 證實津巴布韋項目中存在氦氣（qì）

低溫科學（xué）的各個方麵出現在 19 世紀早期（qī）法拉第和焦耳的實驗中。低溫學涉（shè）及使材料經受極低（dī）的溫度，通常低於 -150 °C。液氮或液氦等低溫液體的使用使我（wǒ）們能夠安全地達到極（jí）端溫度，而不必擔心與高溫過程相關（guān）的火災隱患。在（zài）涉及寒冷環境的任何項目中，這些物質（zhì）都發揮著（zhe）不可或缺的作用（yòng）。

氦氣具有多種可用於低溫過程的特性。它（tā）的沸點低於大多數其他元素，使其適合快速有效地達到非常低的溫度。由於（yú）其無毒特（tè）性，該過程也保持安全。難怪如此多的行業（yè）更加依賴氦的低溫（wēn）原理和應（yīng）用。

什麽是低溫技術？

低（dī）溫學研究材（cái）料在極低溫度下的生產和行為。氦氣等低溫液體的溫度範（fàn）圍介於 -271.15°C 至 -196°C 之間（jiān）。低溫應用利（lì）用了在這（zhè）些低溫環境中增加強度、改善導電性和增強隔熱等特性。

低溫技術（shù）背後的原理涉及控製（zhì）冷（lěng）卻速率。這是通過利用（yòng）沸點和（hé）蒸發速率來實（shí）現所需的溫度範圍來完成的。在某些（xiē）情況下，這涉及使用機械製冷劑甚至液氮將材料（liào）迅速冷卻至零度以下。通過操縱環境，材料可以冷卻到室溫以下，而不會（huì）將其物理狀態從固（gù）態變為液態。

然而，並（bìng）非所有材料在暴（bào）露於極端寒冷條件下時都會做出同樣的反應。例如，無論冷卻多遠，氦氣仍（réng）然是氣體，而水在 0°C 時會變成冰。了解每種材料在不同溫度下的獨特特性有助於（yú）科學家確定哪些物質（zhì）最適合特定的低溫應用。

氦（hài）的性質

氦是一種具有兩種天然同位（wèi）素的（de）元（yuán）素，即氦3和氦4。氦4是這兩種同位素中最豐富的，約占地（dì）球上所有天然（rán）氦原子的99.9%。它具有許多（duō）獨特的（de）特性，使其在低溫應用中具有無可（kě）估量的價值（zhí）。

當（dāng）冷卻到接（jiē）近（jìn）絕（jué）對零（-273°C）的溫度時，液氦會表現出超流動性，即其（qí）粘度降至（zhì）零的狀態，並且可以無任何（hé）阻力地（dì）流動。這種特性使浸入液（yè）氦中的小物體有可能比在正常重力條件下移動得更快，從而使它們可用於科學研究目的。

此外，低冷凝溫（wēn）度使氦（hài）氣成（chéng）為某些工業過程（例如低溫學和半導體製（zhì）造）中減壓的（de）理想選擇。

氦氣的其他主要特性包括（kuò）：

-269℃的極低沸點；

導（dǎo）熱係數隨著壓力的增加（jiā）而增加，最高可達大氣（qì）壓力下（xià）空氣導熱係數（shù）的十倍；

當壓縮成液態時（shí），其密度（dù）增加近（jìn） 200 倍；

低冷凝溫度和高導熱性的結合使（shǐ）其成為可用（yòng）於將製冷係統冷（lěng）卻至接近絕對零溫度的最佳材料之一。

氦（hài）氣在許多行業和領域發（fā）揮（huī）著重要作用，包括航（háng）空航天、核能發電（diàn）、醫學成像和（hé）電子產（chǎn）品生產。了解不同元素在極端溫度和壓力下的（de）行為方式有助於科學家更好地理解支（zhī）配我們（men）宇宙的基本物理定律。這使我們更接近解開有關物（wù）質本身性質的秘密。

低溫（wēn）應用的溫度範圍

低溫是通過使用氦氣作為冷卻劑來實現的。為了保持（chí）這些極低的溫度，低溫係統（tǒng）必須（xū）密（mì）封並（bìng）與外部（bù）熱源隔離。這使它們能夠保持穩定的溫度，同時仍允許不同組件之間的能量交換。在某些情況下，例如在醫療應用中，液氮或其他低溫氣體也可用於實現比單獨使（shǐ）用氦氣可實現的溫度更低的溫度。

在執行某（mǒu）些需（xū）要極端溫度控（kòng）製的程序或實驗時，這些超（chāo）低溫有（yǒu）助於提高精度（dù）和準確性。此外，它們還允許研究人員研究僅存在（zài）於狹窄溫度或壓力範圍內的現象。

氦（hài）氣冷卻係統的使用使許多獨特的應（yīng）用成為可（kě）能。例如，粒子加速器等高精度儀器依賴於在絕（jué）對零附近運行的冷卻劑係統才能正常和安全地運行。同樣（yàng），各種類型的儲（chǔ）存（cún）容器依靠類似的技術來長期保存其內（nèi）容物（wù）而不會降解或汙染。

如果沒有可靠的低溫學，今天許多重要（yào）的技術根本不會存在。

極低的溫度如何影響材料？

在極低（dī）溫下，材料會受到各種物理影響。

從抗熱震性和溫度引起的（de）斷（duàn）裂到低溫應力，這些材（cái）料（liào）必須經過精確設計（jì）才能承受此類條件。

在設計用於低溫的任何設備或結構時，抗熱震性是一個重要因素。為了使設備或結構不因溫度突然變（biàn）化而損壞，必須使用特殊的絕緣材料。低溫（wēn）絕緣有助於保護設備內部部件免受環境溫度快速變化的影響（xiǎng）。如果處理不（bú）當，隨著時（shí）間的推移，這可（kě）能會導致開裂和其他形式的破壞。

低溫引起的另一種（zhǒng）影響是溫（wēn）度（dù）誘導斷裂 (TIF)。當某些類型的金屬在低溫下變脆並且在應變或壓力下更容易破裂時，就會發生 TIF。

脆性程度取（qǔ）決於所使用的金（jīn）屬類型。因此，設計師和工程師在（zài）為零度以（yǐ）下溫度的項目選擇合適的材料時一定要多加注意。

由於長時間暴露在極低的溫度下（xià），可能（néng）會發生低溫應力。Cryostress 是由（yóu）機械力和極冷環（huán）境共同引起的。

如果在設計階段沒（méi）有采取適當的預防措施，這會增加結構失效的可能性。例如，某些合金可能需（xū）要在角落和邊緣周圍進（jìn）行額外的（de）加固，因為在這（zhè）些地方可能會比物（wù）體本身的其他地方集中更多的應變。

氦氣冷卻：工業用途

氦氣冷卻已（yǐ）在各種工業應用中實施（shī），以提高效率和安全性。

它廣（guǎng）泛用於低溫工（gōng）業，因為它既可以快速冷（lěng）卻物體，又可以使物體長時間保持在超（chāo）低溫下。工業氦氣冷（lěng）卻係統通常采用允許用戶輕鬆精（jīng）確調整溫度設置的技術。這使其成為工業低溫存儲等大規模過程的理想選擇。在儲存過（guò）程中，必（bì）須長時間保持溫度的均勻性。

與傳統方法相比，工業氦氣冷卻還（hái）使製造商能夠（gòu）通過降低能耗來降低運營（yíng）成（chéng）本。

許多公司都采用了這項技術。它能夠最（zuì）大限度地減少製造過程中的熱量產生，並減少其對環境的整體影響（xiǎng）。此外，當與超導體等其他材料或技術結合使用時（shí），氦氣冷卻可以提供更大的性能優勢。

航天器（qì）和衛星中的低溫技術

低溫技術已被用於航天器和衛星以實（shí）現高效運行。

低溫技術用於太空應用，因為它們允許在較低溫度下儲存（cún）推進劑並降低其蒸氣壓。低溫燃料還提供比化學燃料更高的比衝，從而延長任務持續時間。低溫推進劑（jì）罐重量輕，熱膨脹係數（shù）低。這使他們能夠在船上儲存更（gèng）多的燃料。

采用低溫技術（shù）的航天（tiān）器有一個絕緣內罐，內含液態氫或液態氧，溫度保持在 -253°C 至 -183°C 之間。為（wéi）保持此（cǐ）溫度，在（zài）容（róng）器壁周圍安裝多層絕緣 (MLI) 毯等絕緣層。這可以防止（zhǐ）熱量從外部環境散失到其中。這些（xiē）係統可以使用散熱器或焦耳-湯姆遜冷卻器等主動冷（lěng）卻機製來進一步控製其（qí）溫度。

由於與其他類型的燃料源（yuán）相比具有高功率密度，衛星在運行期間廣泛使用（yòng）低溫技術。為了（le）讓它們在整個（gè）任務期（qī）間保持功（gōng）能，衛星需要持續供電，這由太（tài）陽能電池板或放射性同位素（sù）熱電發電機 (RTG) 提（tí）供。RTG 需要儲存在高度絕緣容器內的液態（tài）氫來產生電能。因此（cǐ），衛星運營商必須嚴重依賴低溫技術來（lái）確保長時間不間斷的性能。

近年來（lái），在（zài）提（tí）高低（dī）溫（wēn）技術在（zài）航天（tiān）器和衛星中的使用效率方麵取得了進展。有了這些進步，我們很可（kě）能會看到通過增加實現更高水平的效率（lǜ）提升。

氦氣冷卻：醫療用途

氦氣在醫療領域（yù）有多（duō）種（zhǒng）應用，因為它（tā）的冷卻特性使其非常（cháng）適合（hé）在低溫操作中（zhōng）使用。

這使（shǐ）得氦氣成為治療需要極端溫度或受控（kòng）環境的疾病和病症（zhèng）的（de）寶（bǎo）貴資源。冷凍療法在希（xī）望通過暴露於極冷溫（wēn）度下減（jiǎn）少（shǎo）炎症和增加柔韌性來改善身體機能的個人中越來越受歡（huān）迎。該過程通常涉及使用液氮或（huò）氦氧混合氣（氧氣和氦氣）罐，罐內充滿 -156°C 的加壓氧氣和氦氣。

使用冰（bīng）點溫度（dù）還有助於醫生治療（liáo）各種（zhǒng）醫療問題，包（bāo）括與癌（ái）症相關（guān）的腫瘤、良性生長和牙周病。

通過將受影響（xiǎng）的區域（yù）暴露在超低溫下，醫生能（néng）夠安全地去除（chú）異常細胞，而不會（huì）對健康（kāng）的周圍組織造成損害。該技術還用（yòng）於美容行業，用於緊致（zhì）皮（pí）膚、減少脂肪和麵部輪廓（kuò）等程序。

這（zhè）些治療有許多優點。這些包（bāo）括微創、更快（kuài）的（de）恢複時間和比傳統手（shǒu）術方法更少的副作用。

此外，它們可以在（zài）門（mén）診病人的基礎上進行，與（yǔ）傳統手術相比，它們具有成本效益。所有（yǒu）這些好處使得酷療法（例（lì）如使用（yòng）氦（hài）氣的療法）成（chéng）為患者越（yuè）來越理想（xiǎng）的選擇（zé）。

超導研究中的低溫（wēn）學

低溫學在超導（dǎo）研究中起著重要作用。低溫技術（shù）的使用允許在極低溫度下研（yán）究和分析（xī）材料。這一點很重要（yào），因為已經發現某些（xiē）材料在冷卻到遠（yuǎn）低於室溫的極低（dī）溫度時會變得超導。一些金屬被發現隻有在暴露於（yú）低溫條件下時（shí）才會表現出超導特性。

通（tōng）過（guò）在如（rú）此低的溫度下研究（jiū）這些材料，研究人員可以（yǐ）更精確地分析它（tā）們的行為。低溫（wēn）研究還可以深入了解某些物質的物理特性如（rú）何隨著溫度降低而變化。

低溫應用有哪些優勢？

低溫應用能夠為需要它的組件或係統提（tí）供高效冷（lěng）卻。

通過使用基於氦的低溫冷卻，研究人員能夠快速冷卻零件。這使它們更（gèng）容易研究或操（cāo）作（zuò），而無需等待數小時或數天讓它們的溫度自然（rán）下降。通過適當的絕緣技術，這些冷卻的物體可以無限期地保持在所需的溫度水平。這使它（tā）們成為需要長時間保持一致條件的（de）實驗的理想選擇。

與其（qí）他（tā）類型的冷卻方法相比，低溫（wēn）應用的另一個好處在於它們（men）的成本（běn）效（xiào）益。通過（guò）依靠液（yè）氦而不是電力或空調裝置，公司可以在能源成本（běn）上節省大量資金，同時仍保持對溫度水（shuǐ）平的有效控製程度。

氦氣（qì）在針對特定溫度時提供比替代方法更高（gāo）的準（zhǔn）確性，因為它在準確再現所需溫（wēn）度方麵比氮氣或氬氣等（děng）其（qí）他氣體更可靠。

不同類型的低溫係統

低溫係統用於（yú）各種應用，從超導磁體到低溫製（zhì）冷。最常見的低溫係統類（lèi）型（xíng）包括低溫蒸（zhēng）餾、低溫泵和低溫容器。

低溫蒸餾是通過蒸發分離沸點不同的組（zǔ）分的過程。這種類型的係統（tǒng）在分離其成分之前使用（yòng）極冷的溫度來降低被（bèi）蒸餾（liú）物（wù）質的壓力。

低溫（wēn）泵（bèng）在低溫下移動流體，同時通過減少由於較低（dī）流體密度引起的氣蝕和蒸發損失來（lái）保持高（gāo）效率水平。

低溫容（róng）器專為儲（chǔ）存大量極（jí）冷材料（如液氮或氦氣）而設計。這些罐通常是隔熱層（céng），可提供最大程度的熱保護，防止熱量傳入（rù）或傳出容器內容（róng）物。

低溫儲存會帶來挑戰嗎？

在極低溫度下長期儲存的挑戰是複雜的。

在極端條件（jiàn）下儲存材料時，必須遵（zūn）守安全規程。這包括（kuò）發熱、壓力水平和密封係（xì）統等（děng）因素。

在應對這些具（jù）有挑戰性的環境時，確定合適的存儲材料至關重要。由（yóu）於在低溫下具有（yǒu）耐腐蝕性，因此經常使用由不鏽鋼（gāng）或鋁（lǚ）製成（chéng）的基板。

為了促（cù）進（jìn）高效的長期存儲過程，應考慮多種工程原理。這些（xiē）包括絕緣技術和熱循環機製，它們可以（yǐ）最大限度地減少（shǎo）整個係統的溫度（dù）梯度，同時允許組件之（zhī）間（jiān）進行充分的熱交換。應采用適當的設計技術來防止任何元件直接暴露（lù）於低溫液體或氣體。這有助於降（jiàng）低與維護和維修工作相關的成本。

使用低溫氣體：安全問題

在（zài）低溫（wēn）下使用氦氣需要勤奮並（bìng）了解安全預防措施。不遵守適當的協議可能會導致嚴重的（de）後果。

他們包括：

處理低溫（wēn）液體或氣體時穿合適的衣服；

熟悉所（suǒ）用任何化學品的相關安（ān）全（quán）數據表；

使用專為低溫工作設計的設備。

使用低溫材料時（shí），還必須特別注意（yì）通風要（yào）求。如果沒有適當的通風（fēng）係統，危險濃度的氣體會迅速在封閉（bì）空間（jiān）內積聚。在使用大量低溫（wēn）的（de）區域附近必須維護良好的排氣係統。定期維護應包括（kuò）檢查所有暴露在可燃環境中的連接處是（shì）否有（yǒu）泄漏。

此外，在安裝和操作裝有製冷劑的壓力（lì）容器時必須始終小心。隻有根據適用的規範和標（biāo）準（例如 ASME（美國機械（xiè）工程師協會）發布的規範和標準）建造，才能確保壓力容器的完整性。

涉及這（zhè）些容（róng）器操（cāo）作的所（suǒ）有人員都應定期接受有關安全操作程序和與之相關（guān）的潛在危險的培訓。

低溫（wēn）係統（tǒng）：環境效益和危（wēi）害

低溫係統具有廣泛的環境效益，包括在許（xǔ）多領域（yù）提高效率和降低能源消耗。

低溫應用已被用於減小組件的尺寸和重量，同（tóng）時允許它們保持其性能。冷卻可以有效地應用於低溫應（yīng）用，例如需（xū）要低於 -60°C 的溫度的超（chāo）導或液化過程。通過使用低溫應用，可以用（yòng）更少的（de）資源實現（xiàn）更高效的生產條件。

也有與低（dī）溫係統相關的潛在危險。

如果在涉及危險材料（liào）的操作過程中未遵循適當的安全預防措施，則低溫學涉及的極端溫度會帶來風險。例如，液氮極冷，與皮膚接觸會導致（zhì）凍傷或其他傷害（hài）。

此外，在非常低的溫度下，氧氣會變得足夠豐富，在某些條件下會（huì）產生爆（bào）炸性氣（qì）氛（fēn）。因此，必須仔細監測和（hé）維護低溫係（xì）統，以確保安全（quán）運行並最大程度地減少（shǎo）對環境（jìng）的影響。

用於（yú）低溫學的氦氣：未來趨勢

氦氣是低溫應用的基本元素（sù），已用於從食品包裝到醫學研究的各種行業（yè）。與氦低溫技術相關的（de）供應鏈在（zài）過去（qù）十（shí）年（nián）中穩步增長。研究（jiū）人員正在探索使用超低溫安全儲存組（zǔ）織樣本和器官同時保持其完整（zhěng）性的方法。這可能會（huì）徹底改變移植的執行（háng）方式，並為使用（yòng）儲存的細胞和組織進行治療開辟新的可能性（xìng）。

氦的低溫能力的其他工業用途包括改進藥品或半（bàn）導體的生（shēng）產工藝。有了這項技術，公司可以通過減少製造過程中因熱量引起的氧（yǎng）化來更快、更便（biàn）宜地生產更（gèng）高質量的產品。一些先進材料需要精確的（de）冷卻水（shuǐ）平，而（ér）這僅存在於可通過氦基低溫係統實現的極端溫度下；由於全球消費者的需求不斷增加，這些材料（liào）可能很快就會變得司空見慣（guàn）。

澳大利亞公司 Invictus Energy 已證實其（qí）在津巴布韋擁有 80% 股權的 Cabora Bassa 項目中存在（zài）輕油、豐富（fù）的（de）天然（rán）氣凝析油和氦氣（qì）。

該公司證實了砂岩（yán）儲層中（zhōng）存在多個油氣產層，同時宣布對該項目的 Mukuyu-1 井樣品進（jìn）行泥氣成分分析。該井的鑽探（tàn）工作於去年 9 月開始。

Invictus 估計 Upper Angwa 水庫（kù）的凝析氣比 (CGR) 為（wéi）每百萬標準立方英尺51吃瓜网 (bbls/MMscf) 30 至 135 桶凝析油發現該氣體（tǐ）質量高，惰性含量（liàng）極低，二氧化碳 (CO 2 ) 含量低（dī）於 1%。

根據泥（ní）漿氣分析，該公（gōng）司還確認存在濃度約為 0.1% 的（de）氦氣，與全球商業氦氣（qì）生（shēng）產商一致（zhì）。

Invictus Energy 董事總經理 Scott Macmillan 表示：“泥（ní）漿氣成分分析的結果明確證明了 Mukuyu-1 的多個儲層產油層中（zhōng）存在碳氫化合物（wù），這與電纜測井解釋、熒光和升高的泥漿氣讀數一致。

此外，多個儲層單元中（zhōng）商業濃度氦氣（qì）的存（cún）在可與全（quán）球（qiú）氦氣生產領域相媲美，並提供額（é）外的高（gāo）價值副產品。